范 伟， 朱家成， 胡 飞

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

为改善短波通信质量，能够动态适应短波信道变化情况，基于自适应选频技术和自适应编码调制技术的短波自适应通信技术得到人们广泛研究[1]，成为国内外热点研究课题。法国Thales公司成功研发了短波自适应通信系统System-3000。短波通信中不可预测的信道变化特征使得通过实际线路测试来获取可重复性验证结果变得几乎不太可能。因此，短波自适应通信系统设计者首先就需要建立适用的短波信道理论模型，利用理论分析的方法准确地、可重复性地分析系统的性能。

Watterson信道模型是目前被广泛接受的窄带短波信道模型（信道带宽小于12 kHz），通常认为其可以准确秒量级刻画短波信道特点，目前已经被广泛用于理论评估短波调制解调器性能[2-3]。短波信道的一天内各时段或者更长时间上变化可以通过VOACAP、ICEPAC等[4]软件进行较好地预测，这类研究属于短波频率预报研究范畴。而短波自适应通信系统采用自适应通信技术来匹配动态信道，与短波波形性能评估和短波频率预报不同，在理论性能评估时，希望建立的信道模型是能够刻画分钟量级等较长时间周期内的短波信道质量变化情况。

针对 Watterson模型无法刻画短波信道中期变化特征（ITV，Intermediate Terms Variations）和长期变化特征（LTV，Long Terms Variations），Furman等[5]通过统计数日内的短波天线线路测试的信道质量参数，得出每10秒内的信噪比变化服从标准差为4 dB的对数正态分布，其自相关特性具有指数型，2007年美国Harris研究人员[6]提出了一种可用于验证短波数据链路协议性能的刻画短波信道中长期变化特征的信道仿真算法。

基于Watterson模型和Furman等研究结果，文中提出了一种纯软件的短波信道仿真方案。该算法具有全数字化特点，可实时集成到短波自适应调制解调器中以满足短波自适应通信系统测试需要，具有重要的实际应用价值。

1 Watterson信道模型

Watterson短波信道模型采用高斯散射增益抽头延迟线模型，其原理框图如图1所示，其中延迟器和相加器表征了具有不同多径延迟的短波多径传播效应。短波信道上的加性噪声和各种干扰通过相加器体现。乘法器表示了在短波信道的各条多径路径上的时变色散衰落特性，用路径增益函数来表示。

图1 Watterson信道模型原理示意

路径增益函数是 Watterson信道模型的关键部分，可以表示为：

式中，iaf和ibf为第i条路径的多普勒频移，iaσ和ibσ为第i条路径的多普勒扩展。

2 Watterson模型软件仿真算法

基于Watterson模型的短波信道软件仿真如图2所示。信号经过Hilbert变换后分为相位相差90度的两路信号，根据仿真所需路径数选择相应的路径延迟。每条路径中独立考虑多普勒扩展和多普勒频移。所得路径的实部相加，作为输出信号。为了设置相应的信噪比，在输入端对信号和噪声进行功率测量，根据所得信号强度和所要求的信噪比来设置噪声源的强度，然后与多径输出信号相加，即为信道仿真输出。

短波Watterson软件仿真主要对以下3个方面来实现：各径独立设置相应的时延；短波衰落传播效应仿真：采用预设多普勒频移和多普勒扩展来改变多径路径增益系数；噪声环境仿真：噪声源输出噪声或者输入信号乘上特定增益系数来获取不同信噪比，在某次测试中其信噪比通常是固定的。

图2 短波Watterson模型软件仿真总体方案

其中短波衰落传播效应仿真算法设计至关重要。多普勒频移主要是由于短波信道的多普勒效应引起通信双方载波频率偏移，可通过在原始信号频率基础上叠加上一个预设多普勒频率来模拟。多普勒扩展则是反映路径增益系数的时变特性，主要目的是产生短波信道冲击响应，其仿真准确性将严重影响短波调制解调器性能理论评估的准确性。多普勒扩展仿真方案为：两路相互独立高斯噪声源产生两路高斯信号，这两路高斯信号经过两个高斯低通滤波器后，合并形成短波信道复冲击响应，其中高斯低通滤波器带宽对应预设短波信道的多普勒扩展带宽。

3 仿真结果

根据ITU-R规定短波信道参数，仿真Watterson模型在不同多普勒扩展的信道衰落情况。图 3和图4分别表示了多普勒扩展为0.1 Hz和0.5 Hz情况下两条短波传播路径的信道增益。从图3和图4中在40 s的仿真时间内两条径的衰落情况与设置的多普勒扩展是一致的，在一定程度上验证了模型的有效性和正确性。

图3 多普勒扩展为0.1Hz时信道衰落

图4 多普勒扩展为0.5Hz时信道衰落

5 短波自适应通信的信道仿真

短波自适应通信性能的理论评估需要能够准确反映短波信道长期变化趋势（分钟量级）的信道模型。Watterson信道模型以预设恒定信噪比来评估特定信噪比下的短波信号波形性能。而短波自适应通信系统在信号波形传输周期内，信噪比将呈现一个变化过程。因此，采用一个瞬时变化信噪比（SNR）来代替 Watterson信道模型中预设恒定不变信噪比是一个合理思路。

为验证短波数据传输链路性能，Harris公司基于 Watterson模型建立了具有时变信噪比特性的信道模型[6]，我们称之为短波自适应信道模型，其原理如图5所示。

图5 短波自适应信道模型原理框

短波自适应信道模型中,标准 Watterson信道仿真器的固定信噪比被瞬时信噪比代替，时变信噪比反映了下面4个信道特性：

1）信噪比（SNR）的长期变化趋势。

2）信噪比（SNR）在 24小时周期内的变化趋势。

3）短波信道的长期变化趋势（LTV）。

4）短波信道的短期变化趋势（ITV）。

每个瞬时信噪比由3部分相加得到：设置的平均信噪比、ITV信噪比时间序列、LTV信噪比时间序列。其中，LTV和ITV过程由具有指数自相关函数的对数正态分布随机过程来模拟，并且相互独立。

ITV和LTV可以由下面方法产生：由alpha滤波器对高斯噪声进行滤波，产生自相关函数呈指数分布的随机噪声。alpha滤波器可表示为：

高斯白噪声通过该滤波器产生的序列具有指数型的自相关特性，而且自相关的时间常数取决于alpha的取值和序列的更新频率。那么给定更新频率，则通过调整 alpha的取值获得需要的自相关特性。LTV信噪比时间序列采用的时间常数较大，而ITV采用时间常数则小得多。而通过调整ITV增益和LTV增益则可获得需要的标准差。因此，该模型需要输入5个参数：平均信噪比、ITV时间常数、ITV增益、LTV时间常数、LTV增益。

为获得实际的短波信道ITV和LTV特征，Harris公司的Batts、Furman等进行为期3天的短波天波线路试验[4]，两地距离为 1 697 km。试验采用STANAG4538的BW5波形，每隔2.7 s发射一次。接收端评估并存储每次的信噪比、多普勒扩展、多径等。对所估计信噪比时间序列（Nyquist频率为0.185 Hz）进行截止频率为0.001 Hz的高通滤波，并且屏蔽短波信道信噪比一天不同时段以上的变化（周期大于90 min），再进行截止频率为0.01 Hz的高通滤波，得到短波信道信噪比的LTV时间序列（周期大于100 s）和ITV时间序列（周期大于5.4 s）。其结果为：

1）截止频率0.001 Hz的高通滤波后，全天平均的信道信噪比变化的方差约为 24.8 dB2（标准差约为4.98 dB），其中6.3 dB2来自瑞利衰落（短期变化），其余则来自信道的ITV和LTV。

2）从信噪比时间序列的频域上看，在 0.001～0.01 Hz范围内频谱的峰值明显且包络大，表示明显LTV特性。在0.01～0.185 Hz范围内包络则不断减小，表示ITV特性。

3）具有上述LTV和ITV特性的Watterson信道模型，通过合理设置参数，获得与实际线路相似的秒量级和分钟量级的变化特性。

因此，标准Watterson模型中具有上述LTV和ITV等时变信噪比特征的短波自适应信道建模算法可以用来理论验证和分析短波自适应通信系统性能。目前，正集成到我们研制的短波自适应跳频电台系统中。

6 结语

文中对基于标准 Watterson短波信道模型的短波信道模拟仿真系统进行了软件实现，短波信道多普勒扩展效应的结果表明算法软件仿真的有效性和正确性。根据实际短波线路信道信噪比中长期变化特性，提出基于alpha滤波的LTV和ITV仿真算法，可以很好地表征短波信道信噪比秒量级和分钟量级的变化，且将其集成于标准Watterson信道模型，可满足当前混合 ARQ数据链路协议等短波自适应技术的试验需求，节省试验成本。

[1] 赵慧霞,许从方.短波自适应跳频技术的研究[J].通信技术,2011,44(06)：7-9.

[2] 李丁山.基于 Watterson模型短波信道仿真算法[J].系统工程与电子技术,2004,26(11)：1558-1560.

[3] 刘洋,朱立东.一种改进的窄带短波信道模型及仿真实现方法[J].通信技术,2009,42(05)：1-4.

[4] STEWART F G.Technical Decription of ICEPAC Propagation Prediction Program [EO/OL].[2012-12-16].http：//www.voacap.com/itshfbc-help/icepac-techinro.html.

[5] FURMAN W N. Evaluation and Optimization of Data Link Protocols for HF Data Communications Systems[C]//IEEE MILCOM.Boston：MA,1993：67-72.

[6] BATTS W,FURMAN W N,KOSKI E. Channel Quality Variation as A Design Consideration for Wireless Data Link Protocols[C]//IEEE MILCOM. Orlando： FL,2007：1-10.